基于C8051F045单片机的轮速测量电路设计

2013-07-09赖文娟雷雨能

兵器装备工程学报 2013年3期

赖文娟，曾刊，雷雨能

(中国兵器工业第五八研究所军品部，四川绵阳 621000)

工程实践中轮速测量普遍采用以单片机为核心的数字测量方式，本设计则由C8051F045 为核心主控芯片，通过其自带的CAN 总线接口实现轮速信号与上位机的通信。CAN总线是1 种多主方式的串行通信总线，使用CAN 总线接口通信具有可靠的检错和错误处理机制、较高的位速率及抗电磁干扰能力。本设计的这种基于CAN 总线的轮速信号测量电路具有工作可靠、抗干扰性强等优点。

由于磁电式传感器工作稳定可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响，因此本设计中的轮速传感器选用磁敏式SDI-H 型磁敏测速传感器。选用的SDI-H 型磁敏传感器具有编码器功能，频响宽，稳定性好，抗干扰强，可实现远距离传输，其位置型测速有保持功能，可从0 转速开始，并内置放大整形电路，输出为2 路有相位差的幅度稳定的脉冲方波信号，测速的同时还可判定车行方向。

该轮速测量电路作为无人车环境感知分系统的1 个组成部分，测量得出的轮速信息可为路径规划中更好地避障及自动驾驶控制性能的优化提供重要的数据参数。

1 系统工作原理

1.1 轮速信号测量原理

轮速信号测量利用轮速传感器输出脉冲频率和转速成正比的原理设计，采用测频法进行轮速测量的计时。根据轮速传感器脉冲发生器产生的2 路脉冲信号的相位差判定车轮转动方向，根据单片机定时器检测在一定时间内脉冲发生器产生的脉冲数来测量轮速。

1.2 脉冲信号产生原理

本设计采用磁敏式传感器进行非接触式检测。磁敏式传感器由磁头和磁感应线圈组成，磁头固定在磁极支架上，支架固定在长轴上，磁感应线圈通过轮毂、制动毂连为一体，长轴穿过车轮与内部的轴承配合，轮毂带动车轮转动。磁头与磁感应线圈的作用距离为0 ～2 mm，磁敏式传感器的磁感应线圈内镶嵌n 个N/S 极性条形磁铁，每个内置的N/S 极性条形磁铁交替与磁头接近、离开，使传感器输出信号端产生周期性开关电平，从而形成脉冲信号。每当车轮转动1 圈，磁敏式传感器产生n 个脉冲，输出脉冲经信号处理电路送单片机计数后就可计算得出轮速。

1.3 轮速信号的检测原理

将磁敏式传感器输出的方波信号送至C8051F045 单片机的外部，用T1 作定时器，T0 作计数器，将中断INTO 引脚设定为边沿触发方式，计满100 个脉冲数，触发中断，进入计数服务中断程序。单片机对脉冲方波信号进行周期测量，经计算得到轮速。

考虑到车行方向为双向，车轮既可顺时针也可逆时针旋转，单片机需对车轮转向输出的2 路脉冲方波信号A 和B 鉴向后才能计数。若车轮顺时针旋转时，SDI-H 型磁敏测速传感器输出的脉冲方波信号A 超前B 相位90°;则反之，若车轮逆时针旋转，SDI-H 型磁敏测速传感器输出的脉冲方波信号A 将滞后B 相位90°。此鉴向通过单片机编程实现。

2 系统总体方案

如图1 所示，轮速测量电路系统主要由轮速传感器、信号处理电路、单片机、CAN 收发器和上位机组成。

图1 轮速测量电路系统总体框图

轮速测量电路系统工作流程为:轮速传感器输出的2 路有相位差的信号CG00_12V、CG01_12V 经信号处理电路光电隔离、限幅降压、反向后形成2 路脉冲方波信号CG00_3.3V和CG01_3.3V，送单片机C8051F045 的P0.0、P0.1。轮速信号的检测通过将轮速传感器输出的2 路脉冲方波信号送至单片机的外部中断引脚，将其设定为边沿触发方式，用单片机定时器对脉冲方波信号进行周期测量计数，得到轮速，通过CAN 总线接口送至 CAN 收发器。CAN 收发器SN65HVD230 与单片机CAN 总线接口组成控制接口电路，通过CAN 收发器将输入信号转化为差分信号输出到CAN 总线上，轮速数值通过总线接口电路发送至上位机。

3 系统电路设计

3.1 单片机主控芯片电路

C8051F045 单片机是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有64 个数字I/O 引脚，片内集成了1 个CAN2.0B控制器，具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器，是真正能独立工作的片上系统。C8051F045 单片机属于51 系列单片机，其基本控制电路有复位电路和时钟电路。本设计中单片机控制电路/RST 引脚采用上电复位，时钟电路采用22.1184M 晶振Y1。单片机测量轮速时，单片机对由I/O引脚P0.0 和P0.1 输入的2 路脉冲方波信号鉴向后再计算，此鉴向通过单片机编程实现。由单片机编程计算得出的轮速值通过CANTX 发送至CAN 收发器信号输入端，由CAN收发器通过CAN 总线发送至上位机。单片机控制电路如图2 所示。

3.2 信号处理电路

信号处理电路部分是整个测速系统的核心，信号处理电路将轮速传感器产生的2 路脉冲信号通过限幅降压和反相器调整成1 个可满足单片机输入脉冲的脉冲方波信号。由于SDI-H 型磁敏测速传感器输出的2 路脉冲信号CG00_12V 和CG01_12V 高电平在电源电压11 ～12 V，低电平在0 V 左右，故该脉冲信号的电压值不符合C8051F045 单片机接口要求，需利用TLP521 -1 限幅降压隔离整形电路处理电压信号，并通过74HC04 反相器将TLP521 -1 处理后的2 路降压信号CG00_3.3V 和CG01_3.3V 反向，其脉冲信号输出电压高电平约为3.3 V，这样经过信号处理电路处理后产生的2 路脉冲方波即可通过I/O 引脚P0.0 和P0.1 送至单片机计算。信号处理电路如图3 所示。

3.3 CAN 收发器电路

如图4 所示，将单片机CANTX 发送的轮速数值经LT712光电隔离后送至CAN 收发器SN65HVD230，将轮速数值转化为差分信号CAN+和CAN -输出到CAN 总线，由此轮速值通过CAN 总线接口发送至上位机。

4 结束语

系统电路以自带CAN 总线接口的单片机C8051F045 为核心主控芯片，选用可鉴相的输出为2 路脉冲方波信号的磁敏式传感器SDI -H，将产生的2 路脉冲方波信号经信号处理电路光电隔离、限幅降压反向后送单片机计数，通过单片机CAN 总线接口经CAN 收发器SN65HVD230 将轮速信息发送至上位机显示。实际应用证明，本设计具有良好的测速稳定性，可在不增加硬件开支的前提下有效提高低速时的测量准确性，在轮速测量上有一定的应用价值。